一個多層次防溺水網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計

摘要：文章以游泳愛好者預防溺水為目標，以防溺水手表為核心，提出利用防溺水智能手表、物聯(lián)網(wǎng)云服務器、泳池物聯(lián)網(wǎng)局域網(wǎng)設備等組成一體化防溺水網(wǎng)絡系統(tǒng)。該網(wǎng)絡系統(tǒng)通過監(jiān)控游泳者的健康狀況，包括心率、脈搏等；同時泳池物聯(lián)網(wǎng)局域網(wǎng)利用圖像識別與處理等技術捕捉游泳者的運動狀態(tài)，通過人工智能技術判別是否溺水，確定溺水后，通過警告或提醒關聯(lián)人員實施營救，從而多層次地為溺水游泳者提高安全保障。

關鍵詞：防溺水智能手表；物聯(lián)網(wǎng)云服務器；泳池物聯(lián)局域網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）17-0053-02 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

游泳是一項廣受歡迎的運動，不僅是夏季消暑的方式，還具有鍛煉身體的益處。然而，由于游泳必須在水中進行，意外溺水成為一個重要的公共安全問題。世界衛(wèi)生組織指出，溺水已經(jīng)成為全球最大的可預防、被忽視且迫切的公共衛(wèi)生問題之一。每年全球因溺水而導致超過23.6萬人失去生命[1-2]，其中，中國的溺水死亡人數(shù)每年約為5.9萬，平均每天有161人因溺水死亡。尤其令人擔憂的是，未成年人因溺水而死亡的比例正在逐年上升。盡管社會各界和教育部對暑假期間防溺水等安全教育和宣傳工作給予了高度重視，但溺水事件仍時有發(fā)生，短短數(shù)分鐘就可能造成無法治愈的腦部傷害或直接死亡。大多數(shù)溺水身亡事件發(fā)生在野泳環(huán)境中，這種情況往往缺乏監(jiān)控設備和措施。因此，對游泳者的防溺水方法、設備等的研究逐漸引起了社會各界的廣泛關注。

1 防溺水系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術的發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能等新興技術應用于預防溺水服務領域成為研究熱點。通過對游泳者的活動情況進行探測，利用人工智能算法、圖像識別和處理等技術對水下捕捉圖像以監(jiān)測人體進行分析，從而判斷是否溺水。文獻[3]提出一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型的計算機視覺監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由溺水監(jiān)測組件、無人機、危險監(jiān)測組件等構(gòu)成。當溺水監(jiān)測組件監(jiān)測出溺水者后，發(fā)送求救信號給無人機，無人機接收救援命令，根據(jù)溺水者的定位坐標實施快速營救；同時，危險監(jiān)測組件發(fā)出報警。文獻[4]提出一種基于人工免疫算法-克隆選擇算法，根據(jù)功能需求，設計一種溺水特征識別系統(tǒng)框架和模塊劃分。文獻[5-10]分別利用心跳、血氧飽和度、水壓、水深等各類傳感器和通信機制集成的隨身穿戴設備，包括手環(huán)、手表、泳衣、泳帽、背包等，監(jiān)測水中人體的各項機能指標，一旦監(jiān)測到異常情況，立刻響起警報以及應急響應相應措施，比如彈出上浮氣囊。

上述研究和應用對于溺水者的輔助自救或他救提供了寶貴的技術支持或參考價值。本文提出了一種以防溺水手表為核心，以泳池物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)服務器等設備，構(gòu)建多層次防溺水網(wǎng)絡系統(tǒng)，以期給予游泳者多層次的安全保障。

2 一個多層次防溺水網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

綜合應用防溺水手表、泳池物聯(lián)局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)云服務器、手機防溺水App等組成多層次防溺水網(wǎng)絡系統(tǒng)。如圖1所示，防溺水手表通過Wi-Fi或Zigbee 等無線網(wǎng)絡技術快速接入泳池物聯(lián)局域網(wǎng)的智能網(wǎng)關或無線接入點。游泳者佩戴防溺水智能手表，手表通過傳感器采集游泳者的生理信息數(shù)據(jù)，若將近臨界值時，手表的報警器及時報警，同時氣體發(fā)生器隨時準備釋放氣體并彈出氣囊。當游泳者入水時間超過預設值時，智能手表會自動發(fā)送警報信息給云服務器。云服務器對接收到的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)預設的健康狀態(tài)評估算法判斷游泳者的健康狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)異常情況，云服務器將立即向監(jiān)控中心或關聯(lián)手機發(fā)送警報信息。同時，局域網(wǎng)通過布置在游泳池周圍的傳感器實時監(jiān)測游泳池的水位、水溫、流速等參數(shù)，并自動識別游泳者的身份，根據(jù)預設的安全規(guī)則進行自動監(jiān)管。

2.2 防溺水手表的設計

防溺水手表是一種集成了多種傳感器的智能設備，可實時監(jiān)測游泳者的生理信息，包括心率、血氧飽和度、血壓、體溫等。此外，手表還具備入水檢測功能，當檢測到用戶進入水中超過預設時間時，會自動發(fā)出警報信息。如圖2所示，手表包括主控芯片（13） 和監(jiān)測外殼（8） ，其特征在于：主控芯片（13） 分別連接有時間模塊（23） 、壓力感應模塊（24） 和生命體征監(jiān)測模塊（25） ；時間模塊（23） 連接有顯示器（3） ，壓力感應模塊（24） 連接有水壓監(jiān)測器（15） ，生命體征監(jiān)測模塊（25） 連接有PPG傳感器（19） 、LED燈（20） 和溫度傳感器（21） ；壓力感應模塊（24） 和生命體征監(jiān)測模塊（25） 均連接有報警器（12） ，報警器（12） 連接有氣體發(fā)生器（16） 、通訊芯片（22） 和揚聲器（9） ，報警器（12） 連接有手動開啟按鈕（6） 。

該裝置內(nèi)部分別設置有時間模塊、壓力感應模塊和生命體征監(jiān)測模塊，3個模塊均通過主控芯片控制，主控芯片采用SSD主控，信息處理速度極高，可以通過其通信模塊和互聯(lián)網(wǎng)連接進行數(shù)據(jù)的收發(fā)和判斷，使用時可以對各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析判斷，控制各結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，時間模塊連接有顯示器，有利于使用者通過顯示器觀察時間，實現(xiàn)手表基本的功能，壓力感應模塊連接有報警器和水壓監(jiān)測器，當水壓監(jiān)測器監(jiān)測到水壓處于高于10KPa超過一分鐘時，將連通報警器報警，報警器控制氣體發(fā)生器工作，釋放氣體，彈出氣囊，增大浮力，保護使用者的安全，氣體發(fā)生器內(nèi)存在固體的疊氮化鈉，這種固體在受到壓力后會迅速生成大量的氮氣，確保氣囊會在0.1秒的時間內(nèi)膨脹，并且氮氣無毒性，不會對人體造成傷害，氣囊的浮力和氣囊的體積呈正相關，同時，報警器將通過揚聲器播放警報，引起周圍人員注意，通過通訊芯片將信息傳送到報警系統(tǒng)，及時發(fā)出求助信息，生命體征監(jiān)測模塊連接有PPG傳感器、LED燈和溫度傳感器等，通過LED燈發(fā)出紅外光和綠光，透過皮膚組織反射回的光被PPG傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)對使用者血壓和脈搏的監(jiān)測，當使用者的心跳低于60或高于100持續(xù)30秒以上時，以及當使用者血壓低于100/60 或高于180/110持續(xù)30秒以上時，也將觸發(fā)報警器實現(xiàn)報警，保障使用者安全，該手表的各結(jié)構(gòu)組件中間存在縫隙或其他易進水的部位均涂抹有防水密封膠，確保該手表的防水性可以支撐其在水下正常工作。

2.3 泳池物聯(lián)局域網(wǎng)

泳池物聯(lián)網(wǎng)局域網(wǎng)是一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對游泳池水域的全方位覆蓋。通過布置在游泳池周圍的多種傳感器，如水位傳感器、水溫傳感器、流速傳感器等，局域網(wǎng)可實時監(jiān)測游泳池的水位、水溫、流速等參數(shù)，確保游泳環(huán)境的安全性。此外，局域網(wǎng)還具備人臉識別功能，可自動識別游泳者的身份，并根據(jù)預設的安全規(guī)則進行自動監(jiān)管。

2.4 防溺水物聯(lián)網(wǎng)服務器

物聯(lián)網(wǎng)云服務器是一個集成了大數(shù)據(jù)分析、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術的云端平臺。通過接收防溺水智能手表發(fā)送的生理信息數(shù)據(jù)，云服務器可對數(shù)據(jù)進行實時分析，并根據(jù)預設的算法判斷游泳者的健康狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)異常情況，云服務器將立即向監(jiān)控中心或關聯(lián)手機發(fā)送警報信息。

2.5 智能手機防溺水App

智能手機防溺水App主要由用戶登錄界面、物聯(lián)網(wǎng)注冊界面及游泳者監(jiān)測界面組成。用戶登錄界面主要是便于親屬或監(jiān)護人快速登錄，同時手機App的安裝者和防溺水手表擁有者在物聯(lián)網(wǎng)上注冊并建立親屬關系，手機App端能夠隨時隨地監(jiān)看游泳者的健康狀態(tài)及報警等功能。由于此處篇幅有限，故App的詳細設計、數(shù)據(jù)庫設計不再贅述。

3 結(jié)束語

本文以防溺水手表為核心，提出了一個集防溺水手表、泳池物聯(lián)局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)云服務器、手機防溺水App于一體的防溺水網(wǎng)絡系統(tǒng)的設想，期望滿足不同環(huán)境下，一旦發(fā)生溺水現(xiàn)象，系統(tǒng)地自救或警示提示他救。

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【通聯(lián)編輯：代影】

基金項目：2022 年廣東省本科高校教學質(zhì)量與教學改革工程建設項目：智能制造技術實驗教學示范中心（粵教高函〔2023〕4 號）；2022 年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：一種防溺水手表的設計與開發(fā)（S202212622011） ；2022 年校級攀登計劃項目：智能防溺水手表（ZJKJXYPDJHB202211） ；2022 年湛江科技學院“品牌提升計劃”課程思政改革示范項目：網(wǎng)絡工程（PPJHKCSZ-2022301） ；2021 年度湛江科技學院“品牌提升計劃”校級教學團隊項目：網(wǎng)絡系列課程教學團隊（PPJH202102JXTD）